Separación de mezclas mediante destilación sencilla y fraccionada

Resumen

La destilación es un importante proceso usado para la separación de mezclas y purificación de sustancias, en la práctica se emplearon dos tipos de destilación, destilación simple y fraccionada. En la primera se destiló agua con colorante cristal violeta, en la segunda una mezcla de hexano tolueno en proporción 1:1. En la destilación simple se obtuvo en el tubo recolector agua y en el balón cristal violeta. En la destilación fraccionada a diferentes puntos de ebullición usando una columna de destilación se obtuvo hexano y tolueno (72 ºC y 111 respectivamente), se determinó peso, volumen, densidad encontrando unos porcentajes de error de 11.3 % y 9.90% respectivos

Palabras Clave: Punto de ebullición; separación de mezclas; columna de destilación;

Objetivos

Realizar la separación de una mezcla de agua-colorante y Hexano-Tolueno mediante el uso de la destilación sencilla o fraccionada.

Comprender el uso de los montajes de destilación y sus diferencias.

entender el concepto de mezclas azeotropicas y su importancia en los procesos de destilación.

Introducción

La destilación consiste en separar dos o más sustancias en su estado líquido que presentan una diferencia es su punto de ebullición; el desarrollo de éste proceso es de gran importancia porque naturalmente pocas sustancias presentan un grado alto de pureza; por esto, la separación de las mezclas es un área de gran estudio en la

química, un ejemplo de esto se evidencia en la industria, las destilaciones son muy utilizadas en áreas como la perfumería, obtención de derivados del petróleo, la producción de alcohol, entre otros[1].

Existen diferentes tipos de destilación como lo son la destilación simple, al vacío, fraccionada en corriente de vapor entre otras; la utilización de una de ellas en particular depende de las propiedades del líquido a purificar y del tipo de impurezas presentes. La base física de la destilación es sencilla de comprender y consiste en suministrar el calor adecuado para lograr que el líquido de menor punto de ebullición se vaporice y luego se condense al ponerse en contacto con las paredes frías del condensador.

Metodología experimental

Para la destilación sencilla, se realizó un montaje similar al ilustrado en la figura 1.1. Se vertió en el balón 4mL de agua destilada medido con probeta 10mL y se le añadió aproximadamente tres gota de colorante cristal violeta. Se le aumentó la temperatura para alcanzar el punto de ebullición del líquido más volátil

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de la mezcla. Ésta se reguló con piedras de ebullición colocadas inicialmente. El termómetro se ubicó al nivel del tubo de desprendimiento, se circuló agua por el condensador y un tiempo después se colecto el destilado en un tubo de ensayo y se halló el volumen y su densidad con ayuda de un picnómetro.

Figura 1.1 (fuente: Oscar G. Marambio, Patricio F. Acuna, Guadalupe del Carmen Pizarro. Métodos Experimentales en Química Orgánica. Santiago de Chile: Universidad Tecnológica Metropolitana, Abril del 2007. p. 54)

Se tomó la temperatura de ebullición experimental del primer líquido cuando cayó la primera gota en el tubo de ensayo.

La destilación fraccionada se realizó con un montaje similar a la figura 1.2. Se vertieron 6mL de una mezcla 1:1 de hexano-tolueno, se reguló la ebullición con piedritas de ebullición. El primer líquido condensado fue recolectado en un tubo de ensayo pesado antes y después de obtenerlo. Cuando el balón adquirió una temperatura de 72ºC se trocó el tubo de ensayo recolector del primer destilado por uno vacío y debidamente pesado, en él se recolecta el segundo líquido. Finalizado el proceso de recolección se pesa.

Con la ayuda de un picnómetro de 1mL fue posible calcular la densidad del tolueno y el hexano; pesando el picnómetro vacío y después pesando el picnómetro con el hexano, luego con el tolueno

Figura 1.2 (Fuente: http://rodas.us.es/file/e3684961-322a-673c-dfa0505c2bcc0e27/3/cuadernillo_scorm.zip/pagina_07.htm. Figura 7. Revisado el 1 de septiembre de 2014)

Datos, Cálculos y Resultados

De acuerdo a los procedimientos experimentalmente realizados se obtuvieron y calcularon los resultados contenidos en la tabla 1. Estos fueron realizados en base a las siguientes ecuaciones:

mdedestilado=mtubo deensayo lleno−mtubo deensayo vacio E1

d :(m picnometro lleno−m picnometro vacio )

1mLE2

Volumen Inicial Utilizado (mL)

Agua Hexano- Tolueno4.00 6.00

Volumen Recuperado (mL)Agua Hexano Tolueno3.00 2.70 3.20

Masa recogida (g)

2

Hexano Tolueno1.2607 2.4753

Temperatura de destilación experimental (°C )

Agua Hexano Tolueno96 67 85

Masa del picnómetro vacío (g)

#1 (Hexano) #2 (Tolueno)2,4760 1,6754

Masa del picnómetro (g)

#1 (Hexano) #2 (Tolueno)3,2152 2,4567

Densidad experimental (g/mL)Hexano Tolueno0.739 0.781

Densidad teórica (g/mL)Hexano Tolueno0. 655  0.867

Tabla 1: Resultados obtenidos y calculados experimentalmente de la destilación sencilla y fraccionada

Con estos datos se pudo hallar el porcentaje de error en la determinación de la densidad del hexano y el tolueno

% error=[ ( valor teorico−valor experimental )va lor teorico ]x 100 E3

Porcentaje de error

Hexano Tolueno11.3 % 9.90%

Tabla 2. Error en la determinación de la densidad.

Discusión de resultados La destilación simple fue una de las técnicas usadas, considerada como aquella que no requiere una columna de fraccionamiento o aquélla en la que se separa un material esencialmente puro, ya sea de un

componente muy volátil o de uno muy minoritario. Si el proceso de destilación implica la separación de una sustancia de otra, independiente de la diferencia entre sus puntos de ebullición o de sus presiones de vapor, corresponde a una destilación fraccionada. Tanto para una destilación fraccionada como para una simple puede emplearse un aparato de destilación simple, es decir un aparato sin columna de fraccionamiento. Independiente del aparato, una destilación simple soló puede llevarse a cabo cuando se destila una sustancia pura. [8] Cuando se realiza destilación simple el punto de ebullición de la sustancia a purificar debe tener la característica de poseer un punto de ebullición menor a 150ºC a presión ambiente [1] ya que de esta manera se garantiza que la ebullición será homogénea y además si se hace uso de piedras de ebullición la superficie de contacto aumenta evitando que la ebullición sea violenta y que alguna gota de la mezcla se vaya por el condensador. Por encima de 150ºC la presión aumenta al punto de poder expulsar el tapón sellante de la boca del balón o que este se rompa de manera violenta debido a la presión generada; se utilizó un termómetro para registrar el verdadero punto de ebullición del agua (es posible no obtener un valor verdadero en la toma de la temperatura porque generalmente los líquidos tienden a estar en un estado metaestable y a sobrecalentarse antes de la ebullición) [3] , por definición el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión atmosférica [4] y debido a esto la sustancia se encuentra en ambas fases estando en equilibrio a una atmosfera de presión.[5]

Por lo general cuando las sustancias tiene puntos de ebullición mayores a 150ºC se utiliza la destilación a presión reducida ya que al generar vacío se reduce la presión y por ende la temperatura de ebullición ya que estas son directamente proporcionales como se ve en la relación de los gases ideales donde PV=nRT, y además para reforzar la premisa anterior la definición de punto de

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ebullición [5] lleva explicito lo dicho anteriormente y se define como la temperatura a la cual la presión de vapor saturado de un líquido, es igual a la presión atmosférica de su entorno.

En el caso particular del agua suponiendo que la presión atmosférica era de 1atm el punto de ebullición teórico es de 100ºC [2]; el punto de ebullición del colorante cristal violeta no está registrado, pero se sabe experimentalmente que es mucho mayor al del agua. La destilación del agua empezó a una temperatura aproximada 96°C lo que evidencia de manera total que la altitud donde se está realizando el experimento afecta considerablemente el punto de ebullición de las sustancias; al aplicar presión aumenta el punto de ebullición y al disminuir la presión disminuye el mismo. En este caso el punto de ebullición del agua es menor debido a la poca presión atmosférica en el lugar de la práctica por encontrarse por encima del nivel del mar o también se puede ver afectado por impurezas [5]

En la tabla 1. se observa que experimentalmente se perdió aproximadamente 1mL de agua esto se debe principalmente a que parte del vapor se quedó adherido a las paredes del condensador y al termómetro y otra parte se escapó por aquellos pequeños orificios indistinguibles alrededor del tapón aunque se intentó evitar haciendo uso de cinta. En este proceso es fundamental el montaje del equipo de destilación para evitar dichas fugas de gases, ya que se trabaja con presiones de vapor; con esto se reduce incertidumbres experimentales cuando se trabaja en un sistema hermético

La ventaja de trabajar con cristal violeta es que su color vistoso permite ver claramente como el agua se separa de él.

El más común de los procedimientos de destilación es el de la destilación fraccionada. En el caso más favorable para la destilación, uno de los líquidos hierve a una temperatura distinta del punto de ebullición del otro líquido

o componente principal. Se ha de tener presente que incluso la sustancia de punto de ebullición más elevado contribuirá a la fase de vapor en proporción a su propia presión de vapor y a la fracción molar del componente presente. La única forma de que la fase vapor que cubre el líquido sea un componente puro es cuando el líquido sea una muestra pura. Sin embargo, la situación no es imposible, porque con frecuencia la contribución del vapor del segundo componente con respecto a la del componente principal, es pequeña y para fines prácticos puede despreciarse con respecto a la del componente principal. [8]

En general, si los puntos de ebullición de dos líquidos difieren en menos de unos 70ºC, resultará insuficiente un aparato de destilación simple para separarlos. Cuanto mayor sea la longitud de la columna de destilación con hélices de vidrio o platos de condensación, mejor será la separación que se consiga. [8] cabe resaltar que la palabra plato se conservó haciendo referencia a la medida de la eficiencia que se mide experimentalmente del equilibrio líquido-vapor basada en un modelo matemático de una serie de platos pero las columnas de destilación reales no tienen estos “platos” estos se encuentran ubicados entre la disolución y el refrigerante lo cual permite que haya una mayor superficie para el intercambio entre el vapor que sube y el condensado que desciende formando un vapor que aumenta el componente más volátil. Cuando la mezcla es azeotrópica ósea que tienen composición y puntos de ebullición constate debe hacerse la separación mediante la adición de un componente de mayor punto de ebullición, esta técnica se conoce como extractiva, y se lleva a cabo en una columna de rectificación de platos, la presencia de dicho compuesto en cada plato de la columna altera la volatilidad relativa de la mezcla. [13] un ejemplo de ello es el desarrollo de la destilación extractiva de mezclas etanol-agua con polialcohol PAW el cual modifica el comportamiento azeotrópica de la mezcla

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etanol–agua dependiendo de la sal usada CaCl2 o KCOOCH3 disueltas mejorando la eficiencia de separación, disminuyendo el consumo de energía, tamaño y costo de equipos, evitando problemas de corrosión [14].

Para la mezcla de hexano- tolueno no se puede utilizar una destilación simple debido a que los puntos de ebullición no difieren lo suficiente sino en 43ºC pero esta diferencia es apropiada para una destilación fraccionada ya que esta permite separar sustancias que difieran en entre sí en 25ºC[1]. Si los puntos de ebullición de los componentes difieren en menos de unos 10ºC, sólo se podrán separar mediante el empleo de un equipo especial [8]

En el caso particular de la mezcla hexano- tolueno el punto de ebullición del hexano es más bajo siendo este el primero que se destiló a los 67ºC experimentalmente, seguidamente empezó a destilar el tolueno a 85ºC mucho después gracias a su estructura de anillo bencénico, dobles enlaces y la presencia de un metilo hace que su punto de ebullición sea más alto; según los volúmenes destilados se pueden considerar dos opciones: que estaba en mayor proporción el tolueno o que el hexano se volatiliza más rápidamente que el tolueno. Teóricamente se sabe que la sustancia con mayor punto de vaporización es la que se volatilizara más rápidamente en este caso la del hexano es 160 hP a 20ºC [3] y la del tolueno 28hP a 20ºC [4] lo cual significa que el hexano es mucho más volátil y además su punto de ebullición es más bajo. Entonces lo más probable es que la diferencia de volúmenes recolectados no se debe a que se mezclaron en cantidades diferentes si no que el hexano se volatilizo mucho más mientras se recolectaba el destilado.

Aunque es posible destilar este tipo de mezcla con una columna sencilla, se emplea una columna fraccionada para obtener una separación óptima, de lo contrario al utilizar una destilación sencilla, se deben hacer

varias destilaciones consecutivas haciendo que este procedimiento no sea muy utilizado.

La eficiencia de la columna de fraccionamiento está limitada por el número de platos teóricos, gozan la ventaja que no retardan el proceso de destilación, porque en ellos se produce un equilibrio liquido-vapor y se tiene un número elevado de etapas de condensación lo que hace que aumente el rendimiento de la pureza [6] y solo el compuesto con mayor presión de vapor puede escapar de la columna y pasar al condensador, el resto del vapor regresan al balón de destilación en forma de gotas

Ambas emplean agentes de separación líquidos con la finalidad de alterar favorablemente la volatilidad relativa del sistema azeotrópico. La adición de tales agentes líquidos, cuya composición represente al 50-90% de la fase liquida, además de requerir un elevado consumo energético en la destilación hace que el producto deseado presente trazas del agente de separación. [7]

Preguntas

- ¿Cómo se determina el punto de ebullición? Describa 2 procedimientos.

MÉTODO DE SIWOLOBOFFEs un método que utiliza pequeñas porciones de sustancia en estudio. El líquido se coloca en un tubo de ensayo, que se calienta sumergiéndolo en un baño apropiado. En el líquido se introducen un termómetro y un tubo capilar con el extremo superior cerrado. Se inicia el calentamiento, se desprenden algunas burbujas del capilar que corresponden al aire que había encerrado y que con el calor se dilata. Luego el capilar actuará como manómetro, ya que en la superficie de interface se establece un equilibrio líquido – vapor. Dentro del capilar el vapor tendrá cierta presión que al continuar el calentamiento cada vez será mayor.

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Cuando la presión dentro del capilar iguale a la presión atmosférica se producirá el desprendimiento continuo de burbujas. En este momento se debe tomar la temperatura, que corresponde al punto de ebullición del líquido. [7]

Finalmente se miden los volúmenes de 2.70 mL y 3,20 mL los cuales corresponden a hexano y tolueno con unas densidades de 0.739 g/mL y 0.781 g/mL respectivamente; con los datos se calcula que la recuperación fue del 23% y 57% para el hexano y el tolueno, sin embargo el segundo porcentaje confirma la presencia de hexano en el tolueno ya destilado, lo que implica una nueva mezcla; seguidamente se analizan los márgenes de error con respectó a las densidades reportadas en la literatura y se obtiene 17.48% y 6.23% para el hexano y el tolueno, confirmando que en esta destilación se estuvo más cerca del dato teórico. Se confirma que el volumen del primer tubo de ensayo puede corresponder a una mezcla azeotrópica de Hexano-Tolueno, la cual sería posible separar siguiendo un método químico para la remoción del tolueno mediante una sulfonación [11,12].

FOTOCELDA DE DETECCIÓNLa muestra es calentada en un capilar dentro de un bloque metálico. Un rayo de luz es dirigido a través de la muestra hacia una celda fotoeléctrica, cuando se alcanza el punto de ebullición, las burbujas suben en el capilar provocando una disminución en la intensidad de la luz recibida en la celda, esta da una señal de parada al indicador digital que registra la temperatura medida por un termómetro que se encuentra en el bloque. [7]

- Dibuje cinco tipos de columnas de destilación e identifique su efectividad

Figura 3. Columna de destilación Vigreux favorable por diseño para destilación fraccionada, ya que no tiende a inundarse y posee buena velocidad de traspaso. [8]

Figura 4. Columna de destilación de cinta giratoria; En esta columna el líquido se encuentra como una película fina sobre las paredes de la misma y esto favorece el intercambio de calor entre las fases liquida y gaseosa. [9]

Figura 5. Columna de Destilación Hempel; columna simple en cuyos extremos se añaden vidrios abiertos en forma de anillos, llamados anillos de Rasching, posee 18 platos teóricos, el doble de una vigreux. [9]

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Figura 6 Columna de destilación de platos; En las columnas de platos la operación se lleva a cabo en etapas. El plato va a proporcionar una mezcla íntima entre las corrientes de líquido y vapor. El líquido pasa de un plato a otro por gravedad en sentido descendente, mientras que el vapor fluye en sentido ascendente a través de las ranuras de cada plato, burbujeando a través del líquido. [10]

Figura 7. Columna binaria: La columna tiene 40 platos, un recalentador en la base y un condensador del flujo de salida en el tope de la columna. [10]

- ¿Cómo se separa el petróleo industrialmente? Describa el procedimiento de refinación del crudo y que compuestos químicos pueden obtenerse a partir de este procedimiento.

Topping (Destilación Atmosférica): El

proceso consiste en vaporizar el crudo y

luego condensar los hidrocarburos en cortes

definidos, modificando la temperatura a lo

largo de la columna fraccionadora. La fase

líquida se obtiene mediante reflujos, que son

reciclos de hidrocarburos que retornan a la

columna después de enfriarse

intercambiando calor con fluidos refrigerantes

o con carga más fría. Su función es eliminar

controladamente la energía cedida en el

horno de precalentamiento.

La columna de destilación está rellena de

bandejas de platos, que es donde se produce

el equilibrio entre los vapores ascendentes y

los líquidos que descienden.

En la zona de agotamiento o de

despojamiento stripping, situada en la parte

inferior de la columna, se le inyecta vapor de

agua, que sirve para disminuir la presión

parcial de los hidrocarburos, favoreciendo la

vaporización de los compuestos

más volátiles y ayudarles a que asciendan a

la zona de la columna que tenga a presión y

temperatura adecuada para que se produzca

el equilibrio líquido-vapor y se dé la

extracción del producto definido.[11]

Mediante este método se pueden obtener

[12]

En la parte alta de la torre están los livianos

(naftas) y hacia abajo van saliendo los

pesados (gas oil-fuel oil). Las fracciones

líquidas de menor a mayor temperatura de

destilación:

Gas licuado. Esta fracción tiene baja

temperatura de destilación: menor de 40°C.

Está compuesta por hidrocarburos de 1 a 5

átomos de carbono.

Naftas. Estas fracciones son muy livianas

(densidad= 0,75 g/ml) y de temperatura de

destilación de 40°C a 175°C. Están

compuestas por hidrocarburos de 6 a 10

átomos de carbono.

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Kerosenes (incluyen al JP1, el combustible

para aviación) destilan entre 175°C y 230°C,

siendo de densidad mediana (0,8 g/ml). Sus

componentes son hidrocarburos de 11 y 12

átomos de carbono.

Gas oil liviano. El gas oil es un líquido de

densidad 0,85 g/ml y aceitoso, que destila

entre 180ºC y 230ºC. Sus componentes son

hidrocarburos de 13 y 17 átomos de carbono.

Gas oil pesado. Es un líquido denso (0,9

g/ml) que destila entre 305°C y 405°C. Sus

hidrocarburos poseen de 18 a 25 átomos de

carbono.

Crudo reducido. Es el producto de fondo de

la torre, viscoso, que destila a más de 405°C

y tiene más de 25 átomos de carbono.

Las fracciones pesadas de baja calidad

obtenidas en la destilación primaria pueden

ser convertidas a gas oil y nafta mediante

otro proceso de destilación llamado Cracking

catalítico.

- Suponga que usted ha invertido el orden de colocación de la entrada y salida de agua en un sistema de destilación que presenta una columna sencilla, donde se desea separar tolueno (P.E= 111°C) de acetona (P.E= 56°C). ¿Cree usted que la separación en este sistema si sería posible, que sucede con los vapores que comienzan a surgir y ascender por la columna? De no serlo, explique cómo debería realizarse esta destilación de manera correcta, y si una columna sencilla es suficiente para este efecto, o si requiere de una columna fraccionada o de equipamiento especial.

R// Al invertir la entrada y salida de agua en el condensador no se conseguirá un buen flujo de agua y no se daría una correcta condensación de los vapores, la destilación sencilla no resulta muy eficiente para esta mezcla, ya que la diferencia entre los puntos de ebullición no pasa del 50% siendo así más

eficaz usar una columna fraccionada. Al inicio de la destilación se obtendrá solo acetona, pero a medida que aumenta la temperatura, los vapores de los dos compuestos se comienzan a mezclar y al pasar por el condensador se recuperan nuevamente ambos compuestos juntos.

Conclusiones

- La elección de los métodos de destilación aplicados en la práctica se debe principalmente a la diferencia de los puntos de ebullición de los líquidos presentes en la mezcla

- La destilación fraccionada permite obtener un resultado más puro gracias a sus múltiples platos separadores, siendo más eficiente en cantidad y calidad del producto, además permite separar dos sustancias con temperaturas más similares.

- En la destilación fraccionada debido al montaje y al aumento progresivo de la temperatura, el proceso de destilación ocurre lentamente y esto sumado al carácter extremadamente volátil del hexano, dicho compuesto pasaba fácilmente a estado gaseoso y se escapaba, por lo que el volumen esperado de recuperación de dicho compuesto mostro la perdida

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Bibliografía

[1] López. M., Triana. J., Pérez F., Torres. M. métodos físicos de separación y purificación de sustancias orgánicas. Ed., Universidad de las Palmas de Gran Canaria. Islas Canarias (España), 2005; pp 7-10.

[2] Whitten K., Davis R., Peck M., Stanley G. Química. 8ta ed, Cengage Learning Editores S.A, Mexico DF, 2008; pp 461.

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[3] Rogelio Ocampo C., Luz Amalia Ríos V., Luz Adriana Betancourth J. Diana Marcela Ocampo. “Curso Práctico de Química Orgánica Enfocado a Biología y Alimentos” 1 Ed. Universidad de Caldas 2008. p. 17-18

[4] Ana Brenda Picado, Milton Álvarez “Química I: Introducción al estudio de la materia” 1 Ed. Editorial Universidad Estatal A distancia. San José. p. 26-27

[5] A Cromer; “Física Para las Ciencias de la Vida” 2 Ed. Editorial Reverte- McGraw-Hill; New York U.S.A 1996. p. 195-200

[6]http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/138600-Hexano.pdf (Consultada 1 de septiembre de 2014)

[7] Boiling Point. Disponible en:http://www.oecd-ilibrary.org/environment/test-no-103-boiling-point_9789264069541-en;jsessionid=mms5l736gp4b.x-oecd-live-02 (Consultada 1 de septiembre de 2014)

[8] H. Dupont Durst, George W. Gokel Química orgánica experimental. Ed. Reverté, 2007 p. 40-46

[9] Paredes, R. “Fundamentos y aplicaciones de la destilación en la separación y purificación de compuestos orgánicos”. Encuadernaciones A.R.G., pp 32-36, Colombia, 1986.

[10] Columna de platos. Disponible en: http://www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/Platos.htm y http://www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/COLUMNAS/Relleno.htm. (Consultada 7 de septiembre de 20313)

[11] Topping. Disponible en:http://www.enap.cl/pag/268/1557/topping (Consultada 1 de septiembre de 2014)

[12] derivados de Petróleo. Disponible en:http://www.enap.cl/pag/67/1565/productos (Consultada 1 de septiembre de 2014)

[13] J. Valderrama, “Información tecnológica”, Volumen 11, Chile, 2000.

[14] Mezclas Azeotrópica Etanol-Agua. Disponible en: http://www.scielo.org.co/pdf/dyna/v74n151/a06v74n151.pdf . (Consultado 1 de septiembre de 2014)

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